ПІНЧ-ІНТЕГРАЦІЙНА ОПТИМІЗАЦІЯ ТЕПЛООБМІННОЇ МЕРЕЖІ ПРОЦЕСУ КОНЦЕНТРУВАННЯ ГІДРОЛІЗНОЇ СІРЧАНОЇ КИСЛОТИ
DOI:
https://doi.org/10.20998/2078-5364.2022.2.02Ключові слова:
пінч-аналіз, пінч-інтеграція, інтеграція процесів, упарювання, сірчана кислота, концентрування, енергозбереження, енергоефективністьАнотація
У роботі розглядається питання можливості збереження теплової енергії на промисловому підприємстві. У якості засобу оптимізації енергоспоживання використаний один з методів інтеграції хіміко-технологічних процесів – пінч-аналіз. Встановлено, що проблеми значного споживання енергії є актуальними для дослідників та промисловців в усьому світі, а їх вирішення науковці бачать перш за усе у розвитку альтернативних джерел енергетики та сучасних способах енергозаощадження з добре прогнозованими результатами. Вказано, що цільові функції при цьому можуть бути комбінованими: фінансово-енергетичними та енерго-екологічними, оскільки саме такі результати забезпечуються самою сутністю енергоресурозбереження, яке застосовується до промислового процесу.
На початковому етапі дослідження проведено аналіз структури споживання теплової енергії апаратами у процесі концентрування гідролізної сірчаної кислоти. За його результатами встановлено, що наявна мінімальна різниця температур у системі є далекою від оптимального та технічно досяжного значення. З огляду на підтверджений енергозберігаючий потенціал було оцінено його величину. Для цього розрахунковим шляхом встановлено значення присутньої у системі рекуперації тепла, а також визначено обсяг енергії, яка поступає від зовнішніх теплоносіїв та холодоагентів. За результатами обчислень побудовано сіткову діаграму та складові криві вказаного технологічного процесу.
На другому етапі проведені оптимізаційні заходи, які почалися з вибору нового, меншого значення мінімальної різниці температур для усієї теплообмінної мережі цієї промислової установки. Для згаданого значення побудовано зрушені складові криві та розроблено оновлену сіткову діаграму. У інтегрованій мережі теплообміну присутні три додаткові рекуперативні теплообмінники та переглянуті режими роботи тих апаратів, які було прийнято рішення залишити. За результатами оптимізації спроектовано технологічну схему процесу концентрування гідролізної сірчаної кислоти зі збереженням ключових елементів виробничої технології.
Підсумком роботи є оптимізована теплообмінна мережа відділення промислового підприємства, яка дозволяє підвищити рекуперацію теплової енергії на 32,7 %, при цьому зменшивши витрату зовнішніх гарячих теплоносіїв на 30,3 %, а також зовнішніх холодоагентів – на 50,1 %. Отримані результати свідчать про дуже високу економічну ефективність та перспективність запровадження означеного проекту до виробництва.
Посилання
Hosseini S., Khandakar A., Chowdhury M.E.H. et al. Novel and robust machine learning approach for estimating the fouling factor in heat exchangers // Saleh Hosseini, Amith Khandakar, Muhammad E.H. Chowdhury, Mohamed Arselene Ayari, Tawsifur Rah-man, Moajjem Hossain Chowdhury, Behzad Vaferi // Energy Reports. Volume 8, November 2022, Pages 8767–8776.
Ibrahim S., Aamir N., Mousa A.A.A. et al. Improving performance evaluation coef-ficient and parabolic solar collector efficiency with hybrid nanofluid by innovative slotted turbulators // Syed Ibrahim, Nudrat Aamir, Abd Allah A. Mousa, Haneen Hamam, Awatif Al-howaity, Vakkar Alie Muhammad Ibrahim, Tareq Saeed // Sustainable Energy Technologies and Assessments. Volume 53, Part A, October 2022, 102391.
Freisleben V., Jegla Z., Krňávek M. Analytical approach for energy retrofit of waste gas-to-energy units // Vít Freisleben, Zdeněk Jegla, Martin Krňávek // Applied Thermal Engi-neering. Volume 214, September 2022, 118828.
Lawrence A., Karlsson M., Nehler T. et al. Effects of monetary investment, payback time and firm characteristics on electricity saving in energy-intensive industry // Akvile Law-rence, Magnus Karlsson, Therese Nehler, Patrik Thollander // Applied Energy. Volume 240, 15 April 2019, Pages 499–512.
Zhu W.-K., Wang C-y., Wang L-s. Analysis of energy-saving and environmental benefits from power structure adjustment in China: A comparative study from 2020 to 2060 // Wen-Kai Zhu, Cheng-yuan Wang, Li-song Wang, Xiao-han Wu, Qiang Yue // Sustainable Production and Consumption. Volume 31, May 2022, Pages 750–761.
Du J., Zheng J., Liang Y. et al. A hybrid deep learning framework for predicting daily natural gas consumption // Jian Du, Jianqin Zheng, Yongtu Liang, Xinyi Lu, Jiří Jaromír Klemeš, Petar Sabev Varbanov, Khurram Shahzad, Muhammad Imtiaz Rashid, Arshid Mah-mood Ali, Qi Liao, Bohong Wang // Applied Thermal Engineering. Volume 214, September 2022, 118828.
Naderipour A., Kamyab H., Klemeš J.J. et al. Optimal design of hybrid grid-connected photovoltaic/wind/battery sustainable energy system improving reliability, cost and emission // Amirreza Naderipour, Hesam Kamyab, Jiří Jaromír Klemeš, Reza Ebrahimi Shreeshivadasan Chelliapan, Saber Arabi Nowdeh, Aldrin Abdullah, Massoomeh Hedayati Marzbali // Energy. Volume 257, 15 October 2022, 124679.
Yap K.Y., Chin H.H., Klemeš J.J. Future outlook on 6G technology for renewable energy sources (RES) // Kah Yung Yap, Hon Huin Chin, Jiří Jaromír Klemeš // Renewable and Sustainable Energy Reviews. Volume 167, October 2022, 112722.
Tovazhnyanskyy L.L., Kapustenko P.A., Uliev L.M. et al. Application of process integration for energy saving and pollution reduction in Ukraine // Budapest: PRES’99 Pro-ceedings, ed. by F. Friedler and J. Klemes (Hungarian Chemical Society) – 1999. – PP. 659–664.
Moodley A., Majozi T. Development of a unified mass and heat integration framework for sustainable design. An automated approach // Chemical Engineering Transac-tions – 2005. – № 7. – PP. 465–470.
Kapustenko P.O., Ulyev L.M., Ilchenko M.V. et al. Integration processes of ben-zene-toluene-xylene fraction, hydrogenation, hydrodesulphurization and hydrothermoprocess-ing on installation of benzene unit // P.O. Kapustenko, L.M. Ulyev, M.V. Ilchenko, O.P. Arsenyeva // Chemical Engineering Transactions – 2015. – Vol. 45. – PP. 235–240.
Markowski M., Trafczynski M., Kisielewski P. The dynamic model of a rectifica-tion heat exchanger using the concept of heat-integrated distillation column // Mariusz Markowski, Marian Trafczynski, Piotr Kisielewski // Energy. Volume 256, 1 October 2022, 124622.
Zhang D., Zeng S., Li Z. et al. Simulation-assisted design of a distillation train with simultaneous column and sequence optimization // Dan Zhang, Siying Zeng, Zhendong Li, Minbo Yang, Xiao Feng // Computers & Chemical Engineering. Volume 164, August 2022, 107907.
Brito K.D., Cordeiro G.M., Figueirêdo M.F. et al. Economic evaluation of energy saving alternatives in extractive distillation process // K.D. Brito, G.M. Cordeiro, M.F. Figueirêdo, L.G.S. Vasconcelos, R.P. Brito // Computers & Chemical Engineering. Vol-ume 93, 4 October 2016, Pages 185–196.
Zhang Z., Shi X., Zhu X. Investigation of energy-saving thermally coupled extrac-tive distillation alternatives with different liquid side-stream for a quaternary azeotropic sys-tem // Zhishan Zhang, Xiaojing Shi, Xiuyu Zhu, Min Li, Jun Gao // Separation and Purifica-tion Technology. Volume 268, 1 August 2021, 118706.
